|
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие к выпуску второму... 5
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. ТЕПЛОТА
24. Ствол пушки и колесо телеги. Расширение твердых тел при нагревании и сжатие при охлаждении. Молекулярные силы при расширении и сжатии... 7
25. Жидкость в артиллерийских снарядах. Расширение жидкости при нагревании. Упругость пара при изменении температуры. Задачи.. 10
26. А как быть с воздухом в снарядах и тормозах? Расширение газов при нагревании. Закон Гей-Люссака и Мариотта — Гей-Люссака. Задачи... 12
27. Когда снаряды и пули летят дальше? Зависимость плотности газов от температуры. Задачи 14
28. Где можно укрыться от отравляющих веществ? Конвекция и конвекционные токи воздуха. Задачи... 16
29. Выгодно ли топить печи порохом? Теплотворная способность вещества.. 18
30. Вода и снег в пулемете. Теплоемкость вещества. Скрытая теплота кипения и плавления. Задачи... 21
31. Огнестрельное оружие — тепловая машина. Превращение энергии.
Коэфициент полезного действия машин. Механический эквивалент теплоты. Мощность средняя и в данный момент. Задачи... 26
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. ЗВУК
32. Звуки войны. Распространение звука в атмосфере. Преломление и отражение звуковых волн. Задачи... 31
33. Безопасная пуля и страшный снаряд. Источники звука. Скорость распространения звука в воздухе. Принцип Доплера. Задачи... 34
34. Звуковые дальномеры. Скорость распространения звука в воздухе и зависимость ее от температуры. Скорость звука в воде. Задачи.. 38
35. Звуковая запись боевых действий. Изменение давления воздуха под влиянием звуковых волн (детонаций). Графическая регистрация звуков. Дальность распространения звуков... 40
36. Орган слуха на войне. Чувствительность уха, острота слуха, слуховое внимание. Дальность распространения звуков. Бинауральная способность человека... 46
37. Звук — предатель самолета. Бинауральная способность человека и зависимость ее от расстояния между ушами. Звукоулавливание, направление на источник звука (пеленгация)... 49
ГЛАВА ПЯТАЯ. СВЕТ
38. Прозрачны ли воздух и вода? Прозрачность тел... 53
39. Плоское зеркало в помощь войскам. Отражение света от плоских зеркал. Изображение в зеркале. Параллельные зеркала. Поле зрения 58
40. Вогнутые зеркала тоже помогают войскам. Отражение света от вогнутых сферических зеркал. Зависимость яркости освещения от расстояния и от вида пучка лучей... 63
41. Когда глаз не справляется с боевой задачей? Дальность зрения. Стереоскопическое зрение (двумя глазами)... 66
42. Стробоскоп на танке. Продолжительность зрительного впечатления в глазу. Стробоскоп... 69
43. Оптические прицелы. Земная (подзорная) труба. Призмы полного внутреннего отражения. Призменные оптические приборы... 70
44. Военные бинокли и стереотрубы. Призменный бинокль и пригонка его по глазам. Диоптрия. Стереотрубы... 78
45. Оптические перископы. Астрономическая труба. Призменные перископы.. 86
46. Как измеряют расстояния, не сходя с места. Оптические дальномеры монокулярные и стереоскопические... 90
47. Оптический обман лучше прочного щита. Видимость тел в зависимости от яркости освещения и от освещения и цвета фона.. 96
ПРЕДИСЛОВИЕ К ВЫПУСКУ ВТОРОМУ
Выпуск II "Физика и война" составлен по тому же прин ципу, что и выпуск I, т. е. и порядок расположения очерков и основное содержание их по возможности приноровлены к программе обычного курса физики в школах. Несмотря на наличие связи между отдельными очерками этого выпуска, а также и некоторыми частями выпуска I, большинство очерков могут быть прочитаны вне связи с другими частями книги и не в том порядке, 6 каком они расположены. Везде, где представлялось возможным, в конце очерков даны задачи для самостоятельного решения их учащимися; ббльшая часть их может быть использована преподавателями и вне чтения данной книги. Отдел Электричество, а также указатель военных терминов и библиография будут даны в выпуске III, которым и закончится настоящее издание.
В. Внуков.
Сентябрь 1930 г. Москва.
ТЕПЛОТА
24. СТВОЛ. ПУШКИ И КОЛЕСО ТЕЛЕГИ
Едва ли многие задумывались над тем, как одевают железную шину на деревянное колесо телеги и как эта шина удерживается на колесе. Но кое-кто вероятно не только задумывался, но и наблюдал изготовление и ремонт телеги в любой деревенской кузнице.
Прежде всего заметим, что шина часто ничем не прикреплена к колесу: она удерживается на/ нем силой трения. Мало этого, она не только удерживается сама, но и связывает (скрепляет) отдельные части колеса (рис. 1). Для этого шину надо туго натянуть на колесо. Делается это очень просто. Шину изготавливают с таким расчетом, чтобы диаметр ее был несколько меньше диаметра обода. Затем шину сильно нагревают, отчего она, как и всякое тело, расширяется. В нагретом состоянии-шину свободно надевают на колесо (рис. 2), а, остывая, она сокращается и сжимает обод колеса, скрепляя его и сама плотно прижимаясь к нему. Таким образом здесь
использованы молекулярные силы, возникающие при нагревании н охлаждении тела
Теперь вспомним о том давлении пороховых газов, которое стремится разорвать стенки ствола орудия (вып. I, стр. 58). Давление это неодинаково на всем протяжении ствола, поэтому нет смысла делать ствол везде одинаково прочным. Наибольшее давление приходится на ту часть ствола, где помещается снаряд (см. дальше рис. 4). В этом-то месте и важно сделать ствол попрочнее. Конечно для этого можно при отливке ствола сделать его различной толщины. Однако это невыгодно. Тщательные исследования вопроса скрепления стволов показали, что не так важна толщина стенок, как важно равномернее распределить силы, разрывающие металл. Стал* упруга и в этом отношении сходна с резиной, а если в толстое резиновое кольцо вдвигать пологий конус, который растягивал бы его (рис. 3), то увидим, что внутренние слои кольца растянутся сильнее, чем наружные. А если кольцо будет очень толстым, то даже при сильном растяжении внутренних слоев наружные слои останутся почти нетронутыми (рис. 3).
1 В крупных мастерских в настоящее время шину одевают в холодном состоянии, растягивая ее гидравлическим давлением.
Совершенно то же самое наблюдается и в толстых стенках стволов орудий при выстреле. Пороховые газы сильно растянут внутренние слои стенок ствола, а чем дальше, тем слабее будет растяжение и тем меньшее участие в сопротивлении ствола разрыву будут принимать наружные слои!
Вот чтобы заставить и наружные слои принимать участие в работе стенок ствола, придумали различные способы скрепления орудия, из которых мы здесь рассмотрим лишь простейший прием устройства ствола из двух или нескольких отдельных слоев, т. е. так называемое скрепление кольцами, муфтами или кожухом. Все эти различные названия обозначают в сущности размеры наружных слоев и побочные их назначения, суть же везде одна и та же.
Кольцо, муфту или кожух (рис. 4) изготавливают несколько меньшего внутреннего диаметра, чем наружный
диаметр основной части ствола, так называемой "трубы" (рис. 4, 1). Затем наружные слои в нагретом состоянии надевают на трубу 3. Остывая, кольцо, муфта или кожух сжимают стенки
Рис. 3. При вдвигании конуса в резиновое кольцо (фиг. 1) слои резины (фиг. 2) растягиваются неравномерно (фиг. 3).
Рис. 4. Скрепление орудия кольцами: 7 — труба; 2 — кольца.
трубы, а сами немного растягиваются. Благодаря этому давление пороховых газов сначала должно будет растянуть внутренний слой (трубу) до его естественного состояния и затем лишь вызовет добавочное растяжение металла. До наружного,
1 Применяется также и холодный способ надевания кожуха под громадным давлением.
уже растянутого при одевании слоя (кольцо, муфта, кожух) дойдет лишь небольшое давление, как раз такое, какое в силах выдержать этот слой. В результате ствол получается достаточно прочным в нужных частях и не слишком тяжелым.
Как видим, при устройстве колеса телеги и ствола орудий применяются иногда одни и те же принципы использования свойства тел расширяться при нагревании и молекулярных сил, возникающих при сжатии охлаждающихся тел.
25. ЖИДКОСТЬ В АРТИЛЛЕРИЙСКИХ СНАРЯДАХ
Прежде всего нас могут спросить: зачем жидкость попала в снаряд? Известно, что снаряды наполняют пулями (шрапнель) или взрывчатыми веществами (бомба и граната), но ведь и пули и взрывчатое вещество — тела твердые. Все это бесспорно так, но есть еще один вид снарядов, о которых и идет здесь речь. Это — химические снаряды, о назначении которых мы кратко говорили уже, упоминая средства химического нападения на войне (вып. I, стр. 62).
Химический снаряд (рис. 5) по устройству очень прост: стальной стакан наполнен отравляющим веществом (ОВ) и вверху имеет "взрыватель" (вып. I, стр. 47), силою взрыва которого снаряд разрывается (вернее раскрывается) при ударе о землю Ч Так как отравляющие вещества вначале просто называли газами,то и теперь нередко химические снаряды называют газовыми. У неопытных людей это вызывает мысль, что в таких снарядах находится удушливый газ. Само собой разумеется, что это неверно. Смешно было бы наполнять маленький снаряд газом: ведь его поместилось бы там ничтожное количество (вып. I, стр. 62). Поэтому обычно химснаряды наполнены жидкостью, а иногда даже и твердым веществом. И то и другое при взрыве испаряется или распыляется, смешиваясь таким образом с воздухом или пропитывая землю.
Мы здесь остановимся только на снарядах, наполненных жидкостью, и прежде всего попробуем решить чисто физическую *
* Бывают такие химснаряды, у которых кроме взрывателя добавлено небольшое количество взрывчатого вещества для распыления ОВ и поражения целей не только ОВ, но к осколками снаряда.
Рис. 5. Химснаряд (чертеж неверный).
задачу: все ли верно нарисовано на рис. 5? Повторяем: задача чисто физическая, и поэтому ошибку можно искать лишь в изображении жидкости, наполняющей снаряд. Знающий физику должен быстро сообразить, что снаряд, подобный изображенному на рис. 5, не годен ни для хранения, ни для стрельбы (между прочим такие неверные рисунки химснарядов можно встретить иногда в хороших военных книжках). В чем же дело? Да очень просто: жидкость показана на рис. 5 до самого верха снаряда, она заполняет его полностью, а это значит, что при небольшом даже нагревании снаряда он либо лопнет, либо жидкость начнет просачиваться сквозь щели между стаканом и взрывателем. Ведь из физики известно, что жидкости почти несжимаемы и в то же время при нагревании они расширяются, как и все тела, причем расширение их значительно больше, чем у твердых тел. Можно даже вычислить, как велико расширение жидкости, наполняющей химснаряд при изменении температуры ее в пределах вполне возможных при хранении снарядов на складе. Для примера возьмем химснаряд 76-миллиметровой пушки и предположим, что наполнен он жидким хлором. Вес хлора в этом снаряде равен примерно 0,75 кг, что при удельном весе жидкого хлора в 1,5 составит 0,5 л, т. е. 500 куб. см.
Если снаряд наполнили при температуре 0°, а затем он лежал до лета, когда температура дошла до 30°, то расширение (прирост объема) жидкого хлора окажется равным: 500 куб. см X 30° X 0,002 (коэфициент расширения хлора) = 30 куб. см. Следовательно весь объем хлора при t = 30° будет равен 500 куб. см-(-30 куб. см = Ъ30 куб см1. Как видим, даже при небольшом сравнительно нагревании прирост» жидкости получится весьма значительный, в то время как стенки стального снаряда расширяются незначительно. Понятно, что при стрельбе, когда снаряд сильно нагревается и в канале ствола и при полете (трение о воздух), увеличение объема жидкости может быть гораздо значительнее, и снаряд неминуемо лопнул бы раньше времени, если бы в действительности поверх жидкости не оставляли свободного пространства (рис. 6). Рассчитывая, сколько нужно оставить свободного пространства над жидким ОВ в химснаряде (обычно около 0,1 объема), не забывают также и упругости его паров, так как над жидкостью естественно будут его пары, обладающие различной упругостью при различных температурах.
Разобранный случай показывает, что при наполнении жидкостью сосудов, подвергающихся резким изменениям температуры, всегда надо помнить о сравнительно значительной расширяемости жидкостей при нагревании. В частности выше мы разбирали устройство гидравлических тормозов в артиллерийских орудиях (вып. I, стр. 65). В этих тормозах нередко приходится доливать или выпускать часть жидкости в зависимости от температуры ее, иначе тормоз работал бы слишком неравномерно, а иной раз мог бы даже испортиться. Чтобы получить представление, с какими величинами приходится иметь здесь дело, решим несколько задач.
Задачи: 1. В компрессоре (в тормозе) 122-миллиметровой гаубицы при t = 20° находилось 5 л жидкости (смесь глицерина с водой). Какой объем займет эта жидкость при tf = 30°, если коэфициент расширения данной жидкости считать равным 0,0004?
2. В компрессоре 76-миллиметровой пушки находилось 6 л веретенного масла при 2=10°. Во время стрельбы масло нагрелось до 80°. Определить объем масла в компрессоре при 80°, считая коэфициент расширения его равным 0,0007.
26. А КАК БЫТЬ С ВОЗДУХОМ В СНАРЯДАХ И ТОРМОЗАХ?
После разбора явлений, сопровождающих изменение температуры жидкости в снарядах и тормозах, естественно может возникнуть вопрос: а лучше ли вместо жидкости оставлять в снаряде часть пространства, заполненного воздухом? Ведь воздух при нагревании тоже расширяется и даже в большей степени, чем большинство жидкостей.
Известно, что коэфициент расширения всех газов равен V273 или 0,00366. При резких изменениях температуры это дает порядочный прирост объема воздуха в снаряде или в тормозе. Ответ на этот вопрос найдем в знании основных свойств газов. Если бы газы были так же несжимаемы, как жидкости, тогда конечно выгода от замены жидкости газом не получилась бы; но нам известно, что газы наоборот весьма легко сжимаемы и значит равнять их с жидкостями в данном случае никак нельзя. При сильном нагревании газа, занимающего постоянный объем, увеличится его упругость (давление на стенки сосуда); но это увеличение отнюдь не столь значительно, чтобы опасаться за прочность стального стакана снаряда или цилиндра компрессора орудия.. Нетрудно показать это на примере.
Положим, что в снаряде поверх жидкого ОВ находится при 0° 100 куб. см воздуха при нормальном давлении в 760 мм. Спрашивается: каково будет давление этого воздуха при температуре в 30°?
Согласно закону Гей-Люссака при неизменном объеме газа новое давление р равно первоначальному давлению р0, умноженному на бином расширения (...)
Иначе говоря, давление воздуха увеличилось примерно на 10% и не превышает 1,1 атм. Для снаряда это совсем не страшно, так как стенки его обычно рассчитаны на давление в несколько сот атмосфер.
Однако есть случай в артиллерии, когда с увеличением давления воздуха необходимо считаться. Это в воздушных накатниках, о которых мы говорили уже раньше (вып. I, стр. 65).
Здесь от давления воздуха зависит правильная работа накатника и тормоза, поэтому надо тщательно следить за сохранением более или менее постоянного давления; %а насколько может оно изменяться, показывают следующие задачи:
Задачи: 3. В накатнике 305-миллиметровой гаубицы (образца 1915 г.) воздух при 0° находится под давлением в 60 атм. J. Определить давление его после длительной стрельбы при температуре 100°.
4. В накатнике 107-миллиметровой пушки (образца 1910 г.) воздух при 0° имеет давление 36 атм. Определить давление его при температуре 50°.
В этом же случае с воздушными накатниками мы практически сталкиваемся с законом Мариотта-Гей-Люссака, так как воздух в накатнике занимает постоянный объем, только когда орудие не стреляет. При каждом же выстреле орудие откатывается, сжимая воздух в накатнике. Если при этом учесть и изменение температуры, то подучим сложное явление одновременного изменения и температуры и давления. Математически закон Мариотта-Гей-Люссака выражается, как известно, уравнением:
Пользуясь этим уравнением, нетрудно решить следующие задачи:
Задачи: 5. Воздух в накатнике при 0° занимает объем 74 л и находится под давлением 60 атм. Какой объем займет этот воздух при полном откате орудия, если температура его в этот момент 30°, а давление 100 атм.?
6. Объем воздуха в накатнике при 0° равен 7,2 л и имеет давление 36 атм. Определить давление воздуха в конце отката орудия, когда объем воздуха равен 4,8 л, если температура его 100°.
27. КОГДА СНАРЯДЫ И ПУЛИ ЛЕТЯТ ДАЛЬШЕ
Несведущие люди уверены, что дальность полета снарядов и пуль при неизменном оружии и патроне зависит только от установки прицела. Поставим прицел винтовки на 14 (вып. I, стр. 20) — значит пуля полетит на 1400 шагов, т. е. примерно на 1000 м. Определим пристрелкой1 из орудия, что до окопа противника 3 км — значит когда бы ни стреляли из данного орудия, прицел всегда нужно поставить 70 2. Время же года (зима, лето) и погода для стреляющего безразличны.
В действительности это далеко не так.
Опыт мировой войны, когда стрельба велась иной раз по нескольку дней беспрерывно, особенно отчетливо показал, какое существенное значение для точности стрельбы имеет учет метеорологических данных для всех видов артиллерии.
Вечером снаряды безошибочно падали в окоп или очень близко от него, а утром снаряды из того же орудия и при тех же установках большей частью летели мимо.
Зимой пулеметчик точно пристрелял лощинку, по которой враг может приблизиться наиболее укрыто, а летом при этом прицеле все пули летели дальше, чем нужно.
Если говорить точно, то на дальность полета пуль и сна-рядов влияют и давление, и температура, и влажность воздуха. Но существенное значение имеет главным образом температура воздуха, от которой больше всего зависит его плотность. И тут мы снова сталкиваемся со свойством тел расширяться при нагревании. При повышении температуры воздуха он расширяется, отчего плотность его становится меньше. А коль скоро снаряду или пуле приходится двигаться в менее плотном воздухе, очевидно они полетят дальше, так как встретят меньшее сопротивление воздуха
Значит, чем выше температура воздуха, тем дальше при прочих равных условиях летят снаряды и пули. При одном и том же прицеле летом снаряды и пули, вообще говоря, летят дальше, чем зимой, вечером обычно дальше, чем рано утром, и т. п.
Значит при повышении температуры прицел надо убавить, чтобы попасть в ту же точку из того же орудия.
В заключение приведем некоторые данные, позволяющие судить о значении температуры при стрельбе из ружей и пушек, и на основании этих данных решим несколько задач. При этом надо помнить, что нормальной температурой считают в стрелковом деле 25°, а в артиллерии 15°. Для этих температур вычислены установки прицела, и лишь при этих температурах они соответственно отвечают нужным дальностям полета.
1. Изменение в дальности полета пули при изменении температуры
воздуха на 25°.
Расстояние в шагах 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200
Изменение дальности в шагах 5 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 105 120 140 165
2. Изменение в дальности полета снарядов 76-миллиметровой пушки образца 1902 г* при изменении температуры воздуха на 10 .
Расстояние в метрах 430 850 1280 1710 2130 2560 2990 3410 3840 4270 4690 5120 5550 5970 6400 6830 8530
Изменение дальности в метрах 1 5 10 16 1 24 31 39 1 [ 46 “i 1 1 61 68\ 74 79 83 87 94 | 147
Примечания: 1) Данные приведены для шрапнели; для гранаты же изменения в дальности еще больше.
2) Расстояние дано с округлением до 10 м.
Задачи: 7. Определить, в каком расстоянии от стрелка будут падать пули, выстреленные из винтовки с прицелом 10 (соответствует дальности 1000 шагов) при температуре воздуха 0°.
4 О значении сопротивления воздуха при стрельбе см. выпуск I, стр. 7. Кроме изменения плотности воздуха с изменением температуры изменяется еще и температура заряда (пороха), а поэтому и начальная скорость полета пули, что также увеличивает дальность полета пуль при увеличении температуры.
Так как прицел определялся для температуры воздуха 25°, то лишь при этой температуре пуля полетит на 1000 шагов. В нашей задаче температура 0°, т. е. на 25° меньше "нормальной", значит пуля упадет ближе на 25 шагов (см. таблицу, где против 1000 шагов стоит 25 шагов), т. е. на расстоянии 975 шагов от стрелка.
8. На сколько изменится дальность полета пули при изменении температуры на 10°, если стрельба велась на расстояние 800 шагов?
При изменении температуры на 25°, при этом расстоянии стрельбы, дальность изменяется на 20 шагов. Очевидно при изменении температуры на 5° дальность изменится на 4 шага (25 : 5 = 20 : 4), а на 10° — дальность изменится на 8 шагов.
9. Какую установку прицела следует назначать при стрельбе из винтовки на расстоянии 1600 шагов, если температура воздуха — 25° (мороз)?
10. Стрельбой при 10° для 76-миллиметровой пушки был определен прицел, соответствующий расстоянию в 4270 м (прицел 100). В каком расстоянии от цели упадут снаряды при этом же прицеле, но при температуре воздуха 30°?
28. ГДЕ МОЖНО УКРЫТЬСЯ ОТ ОТРАВЛЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
Отравляющие вещества, или, как часто не совсем верно называют их, газы, применяются на войне различными способами: выпуском облака газа из баллонов (вып. I, стр. 62), стрельбой химическими снарядами и минами сбрасыванием химических бомб с самолета (или просто распылением с самолета). Но во всех почти случаях ОВ (сокращенное обозначение отравляющих веществ) стелются по земле, двигаясь по ветру или оставаясь почти неподвижным облаком (туманом) при безветрии, так как все ОВ тяжелее воздуха. Существует очень много способов защиты от ОВ, и главное средство защиты — противогаз. Однако тем, кто этого противогаза в нужный момент не имеет и кто не может воспользоваться специальными газоубежищами, нелишне знать вспомогательные средства защиты, основанные на всем известных законах физики.
Чтобы не быть пораженным ОВ, надо при отсутствий противогаза найти такое место, где воздух чистый, куда ОВ не может проникнуть вовсе или попадет лишь в незначительном количестве. Какое же место найти или каким путем быстро создать его около себя?
Для этого прежде всего надо вспомнить о конвекционных токах воздуха. Действительно, если в данном месте образо- 1
1 Химические снаряды и мины наполнены вместо взрывчатого вещества отравляющим веществом, устройство их показано на стр. 11 этого выпуска.
вался мощный ток воздуха вверх, то очевидно он захватит с собой смешанное с воздухом ОВ, и за этим местом образуется безопасная зона (рис. 7).
Но ведь конвекционные токи воздуха создаются над более нагретыми участками земли. Значит тут именно и наиболее без-
Рис. 7. Конвекционные токи воздуха увлекают ОВ: справа — пашня;
слева — луг.
опасное место. Положим рядом находятся луг и пашня. Луг в солнечные дни нагревается больше, чем пашня (вспомните, чем
это объясняется), поэтому над лугом воздух устремляется вверх, а за лугом (рис. 7) образуется сравнительно безопасная зона. Однако подобное явление имеет какое-либо значение для защиты от ОВ лишь в теплую солнечную и тихую погоду. При слабом же нагревании земли солнцем или при ветре средней силы конвекционный ток не обладает достаточной мощностью, чтобы увлечь с собою большую часть ОВ. Поэтому гораздо лучше и вернее создать искусственную конвекцию воздуха с помощью костра. Даже небольшой костер из сухих веток или хво-
роста может защитить от ОВ одного человека, лежащего за ним на земле (рис. 8). Вначале в войсках костры являлись главнейшим средством защиты от ОВ. Однако в бою это средство оказалось никуда негодным, так как по кострам противник открывал убийственный огонь артиллерии, и спасшийся от ОВ погибал от снарядов. В глубоком же тылу и вне города костры и сейчас могут быть с успехом применяемы как защита от ОВ отдельных людей и домашних животных.
Попутно с этим нелишне напомнить о значении топки в землянках или убежищах, в которых люди укрылись от ОВ. Здесь роль конвекции как раз обратная. Во время топки печи теплый воздух уходит в трубу, и через трубу ОВ конечно не проникает, но зато при топке холодный воздух усиленно поступает (втягивается) в землянку извне (снаружи). И вот с этим-то воздухом обязательно проникнет и ОВ. Поэтому в период газового нападения не следует топить печей где бы то ни было. Нужно наоборот всячески заботиться, чтобы внутрь помещения воздух извне по возможности не проникал или проходил через фильтр.
Задачи: 11. Можно ли укрыться от ОВ в глубокой яме?
12. Где лучше находиться во время газовой атаки днем: на берегу реки в стороне к противнику, посреди реки (на лодке или пароме) или за рекой?
29. ВЫГОДНО ЛИ ТОПИТЬ ПЕЧИ ПОРОХОМ?
У всех, кто немного знаком с работой пороха в оружии, создается впечатление о необычайных свойствах этого горючего вещества. Несколько граммов пороха с громадною скоростью выбрасывают пулю из винтовки, заставляя ее лететь на 3 — 4 км. Один килограмм пороха бросает снаряд весом в 6 — 7 кг на 8 км. Подумать только, какая при этом выделяется энергия и в каком малом количестве пороха эта энергия заключена! Невольно приходит мысль, что вероятно и теплотворная способность пороха исключительно большая. Ведь о мощности всякого горючего мы судим прежде всего по теплотворной его способности. Нефть например, сгорая в количестве 1 кг, выделяет около 10500 бол. калорий, а кокс при тех же условиях даст лишь 7000 калорий. Исходя из этого, мы говорим, что нефть выгоднее кокса: меньшее количество ее дает то же количество тепла. Вот и интересно узнать, каковы в этом отношении свойства пороха. Выгодное ли это топливо?
Но тут прежде всего многие усомнятся в возможности самой постановки подобного вопроса. Разве можно говорить о топке печей порохом, коль скоро порох взрывчатое вещество? Порох взорвется и разрушит печь, вместо того чтобы гореть в ней. Пусть сомневающиеся возьмут щепотку пороха (безразлично дымного или бездымного), насыплют его на лист бумаги и спокойно подожгут его на открытом воздухе. Никакого взрыва при этом не произойдет, и порох сгорит хотя и быстро, но вполне спокойно. Еще лучше можно показать это свойство пороха, если имеются ленты орудийного пороха (рис. 9). Такие ленты поодиночке или целым пучком отлично горят на открытом воздухе, и при этом горение протекает настолько спокойно и медленно, что можно держать ленту в руке* пока она не догорит до конца. Горение бездымного пороха очень похоже на горение целлулоида, из которого часто делают гребни, женские шпильки для волос и т. п. Как видим, с этой стороны препятствия к топке печей порохом (особенно бездымным) как будто бы нет, достаточно лишь обеспечить свободный приток рис ge пучок лент орудийного пороха, воздуха к горящему пороху
и большой объем печи; тогда порох может служить обычным топливом, лишь очень быстро горящим и конечно опасным в обращении. Вот теперь и спросим себя: а выгодно ли было бы топить печи порохом? Какова теплотворная его способность? Представьте себе, что она не только не больше обычных видов топлива, но даже во много раз меньше, чем у них. Бездымный (пироксилиновый) порох имеет теплотворную способность 900, т. е. 1 кг этого пороха, сгорая, выделяет 900 бол. калорий тепла. А дымный военный порох — и того меньше: его теплотворная способность всего лишь 700. Иначе говоря, и тот и другой порох более чем в 11 раз хуже нефти. Если бы паровоз вместо нефти топить порохом, понадобилось бы возить его с собой в количестве, в И раз превышающем нужное количество нефти.
Оказывается, что и после победы социализма во всем мире, когда войны станут немыслимы, запасы пороха (а их во всех странах много миллионов тонн) едва ли удастся использовать в качестве топлива г. Слишком это было бы невыгодно и в то же 1
1 Порох можно в мирной жизни использовать в горной промышленности и для всяких подрывных и взрывных работ вообще (корчевание пней, разработка леса, разрыхление земли и т. п.).
время опасно. Но в чем же тогда дело? Почему же в оружий, несмотря на малую теплотворную свою способность, порох оказывается таким мощным и не может быть заменен ни нефтью, ни бензином, ни любым другим горючим? Секрет мощности пороха конечно не в теплотворной его способности, а в способности очень быстро гореть в замкнутом пространстве без доступа воздуха. Вот этими свойствами не обладает ни один из видов топлива: каждое из них и медленно горит и обязательно требует притока кислорода извне. Порох же содержит в своем составе кислород и, быстро разлагаясь при горении, продолжает это горение за счет собственного своего кислорода. Нефть в закрытом помещении гореть не может, а на воздухе, сгорая, превращается в большое количество газов; но эти газы образуются медленно и спокойно расходятся в атмосфере. Порох, сгорая, превращается в газы, но громадное количество этих газов образуется почти мгновенно и в закрытом помещении, поэтому газы эти естественно оказывают громадное давление на дно снаряда (пули), на затвор и на стенки ствола оружия
Таким образом порох не мог бы заменить собой ни нефть, ни уголь, ни даже дрова (теплотворная способность их 3000 — 4000 калорий), но само собой разумеется, что и обратно — никакое топливо не может заменить пороха в огнестрельном оружии.
Мало чем отличаются от пороха в этом смысле и все другие взрывчатые вещества. Вот теплотворная способность некоторых из них:
Нитроглицерин ..1 500
Пироксилин (сухой) . ...1 100
Мелинит ...770
Тротил 730
Гремучая ртуть . 400
И все же несмотря на это, все снаряды, которые предназначены для разрушения (мины, гранаты и бомбы), наполняют именно этими взрывчатыми веществами, главным образом тротилом, а все капсюли для взрыва и воспламенения зарядов пороха в патронах и разрывных зарядов в снарядах делают из гремучей ртути. И малая теплотворная способность взрывчатых веществ не мешает им быть носителями громадных запасов энергии, выделяемой в нужных случаях в кратчайшее время.
* Подробнее о действии пороха в оружии рассказано в выпуске I в очерке .Сила пороховых газов*, стр. 58.
Очень интересно еще с точки зрения теплотворной способности вещество, носящее название термит 5. Термит — это порошкообразная смесь металлического алюминия (25°/0 по весу) и окиси железа (75°/0). Зажечь эту смесь очень трудно, но, загоревшись, она выделяет при этом столько тепла, что температура горения достигает 3000°. При такой температуре плавится сталь (температура ее плавления 1400°) и даже платина (1764°). Этим свойством термита пользуются для порчи артиллерийских орудий (своих и неприятельских) в случае, если они должны достаться в руки врага. Для этого .термитный патрон* кладут внутрь ствола и поджигают. Сгорая, термит расплавляет сталь, и канал ствола становится совершенно никуда негодным. Наполняют термитом также снаряды, назначаемые для поджигания построек и убежищ противника. Зажигательный термитный снаряд наполнен либо сегментами из смеси термита (50°/,,) и какого-либо горючего вещества (50%), либо сплошь термитом. В первом случае снаряд действует вроде шрапнели и, разрываясь в воздухе, выбрасывает горящие термитные сегменты. При сплошном термитном снаряде последний зажигается еще в полете (действием дистанционной трубки, см. вып. I, стр. 47) и разрываясь врезается в постройку. Если только весь снаряд или один термитный сегмент попадают на горючее вещество, то они безотказно поджигают его, вызывая обычно пожар. Зажигательными снарядами стреляют главным образом по населенным пунктам, занятым противником.
30. ВОДА И СНЕГ В ПУЛЕМЕТЕ
Хотя порох и не обладает большой теплотворной способностью, однако все же при выстреле выделяется порядочное количество тепла. Тепло это частью расходуется на расширение образовавшихся при сгорании пороха газов, т. е., иначе говоря, на полезную работу выталкивания пули или снаряда, частью же идет на нагревание ствола и на другие виды .вредной работы*. Дотроньтесь до ствола винтовки после десятка выстрелов подряд и вы убедитесь в том, что ствол стал очень горячим и может даже обжечь. Поэтому ствол военной винтовки со всех сторон окружают деревянными частями (рис. 10 — ложа и ствольная накладка). Почему здесь применяют дерево, понятно без объяснения всякому, кто знает разницу в теплопроводности дерева и стали. 1
1 Термит широко применяют в мирной жизни для сварки стальных рельсов (например трамвайных) и т. п.
Но то, что хорошо в винтовке, выпускающей никак не более 20 пуль в минуту, то оказывается недостаточным для пулеметов, имеющих темп стрельбы 600 выстрелов в минуту. Тут уже нагревание ствола получилось бы угрожающим, температура его могла бы дойти до таких пределов, когда сталь рязмяг-чается, а патроны сами взрываются, едва попав в патронник.
Посмотрим однако иоконкретнее, чего можно было бы ожидать при непрерывной стрельбе из пулемета. Для этого прежде всего определим количество тепла, выделяющееся при каждом выстреле. Заряд пороха в ружейном патроне, который одинаков и для пулеметов, весит 3,2 г. Выше мы говорили уже (стр. 19), что теплотворная способность бездымного пороха равна 900. Значит всего при выстреле выделяется 3,2X900 = 2880 мал. калорий, или 2,88 бол. калорий. Считают, что 70°/0 всего тепла идет на нагревание ствола и лишь 30°/о на полезную работу пороха1. Вычислив 70°/о от 2,88, получим приблизительно 2 бол. калории. Итак при каждом выстреле из пулемета ствол получает 2000 мал. калорий тепла. На сколько же это поднимет его температуру? Ствол пулемета Максима вместе с замком весит около 3 кг, а теплоемкость стали, как известно, равна 0,11. Число градусов нагрева ствола при каждом выстреле получим по формуле:
где t — температура нагрева, э — количество теплоты в мал. калориях, т — масса тела и с — теплоемкость его.
1 В этом отношении имеют место разногласия: по некоторым источникам на нагревание ствола идет значительно меньший процент, но мы здесь приняли его равным 70 на том основании, что любая ошибка в большую сторону в данном случае предпочтительней.
Для нашего примера получим: t — qqq q = 6°.
Если при каждом выстреле температура ствола повышается на 6°, то значит после 100 выстрелов подряд (на это требуется 10 секунд) температура ствола даже зимой при 0° окажется равной 600°. Правда, ствол часть тепла будет непрерывно отдавать окружающему воздуху и станку, но даже, приняв все это во внимание, получим все же неизбежное повышение температуры до 200 — 250°. На практике считают, что после 250 выстрелов (одна пулеметная лента) ствол пулемета надо менять, если он не имеет искусственного охлаждения. Такую смену ствола и осуществляют в станковом пулемете Кольта (рис. 11), несмотря на то, что стволу этого пулемета придана ребристая форма специально для увеличения его массы и площади соприкосновения с воздухом. У
Рис. 11. Пулемет системы Кольта: 1 — ствол ребристой формы для уменьшения нагревания его при стрельбе.
У нас в Красной армии на вооружении находится станковый пулемет Максима (рис. 12) с водяным охлаждением ствола. Прежде всего надо задуматься над вопросом, почему для охлаждения ствола пулемета выбрали именно воду, а не какое-либо другое вещество? Почему, положим, не воспользоваться для этой цели маслом? Ответ найдем не только в распространенности и «бесплатности" воды, но и в физических ее свойствах. Стоит лишь посмотреть таблицу теплоемкости различных веществ, чтобы убедиться в выгодах применения воды для охлаждения тел. Кроме водорода все вещества имеют теплоемкость меньше воды, и притом масло например в два раза меньше (теплоемкость его около 0,5), глицерин и керосин тоже почти в два раза меньше (0,58 и 0,51). Даже лед и снег имеют теплоемкость только 0,45. Отсюда ясно, что вода наиболее подходящее вещество для охлаждения ствола пулемета, как и для цилиндров двигателей внутреннего сгорания.
Теперь сделаем расчет, как протекает нагревание воды, охлаждающей ствол пулемета, и скоро ли эта вода нагреется до точки кипения.
В кожухе пулемета Максима (рис. 12) вмещается до 4 кг воды. Предположим, что кожух наполнен водой при = 0°. Чтобы нагреть 4 кг воды от 0 до 100°, т. е. до точки кипения, надо 400 бол. калорий (4 кгХЮ0° = 400 бол. калорий). Но каждый выстрел дает 2 бол. калории, идущих на нагревание ствола, значит 400 бол. калорий выделится при 200 выстрелах, т. е. через 20 секунд непрерывной стрельбы (600 выстрелов в минуту — 10 выстрелам в секунду). При точных расчетах надо учесть, что часть тепла (весьма незначительная) идет на нагревание вещества ствола (33 бол. калории) и кожуха, кроме того тепло отдается водой и кожухом окружающему воздуху. Однако даже при учете всех этих факторов получим, что одна пулеметная лента (250 выстрелов), выпущенная без перерывов, нагреет воду от 0° до точки кипения, а если стрельба идет летом и вода до начала стрельбы имеет температуру 20 — 30°, то к концу ленты вода будет кипеть. Отчасти благодаря этому* и нет смысла устраивать ленты с больший, чем 250, числом патронов. Лучше после каждой ленты дать несколько остыть воде и тогда лишь продолжать стрельбу. Это остывание и произойдет за время смены ленты. Мы говорили уже, что темп стрельбы пулемета Максима 600 выстрелов в минуту, но действительная боевая скорострель-
ность его равна в среднем лишь 250 выстрелам в минуту, так как стрельба, устранение неизбежных задержек и смена ленты на 250 патронов занимают обычно около 1 минуты.
Итак после 250 выстрелов, т. е. через 25 секунд после начала стрельбы, вода в кожухе пулемета начнет кипеть. Ну, а скоро ли она выкипит вся, если продолжать беспрерывный огонь? Тут уже надо вспомнить о скрытой теплоте кипения воды, которая, как известно, равна 539 калориям. Кстати вспомним, что и в этом отношении вода очень удобна для охлаждения, так как имеет наибольшую из всех веществ скрытую теплоту кипения. Любое другое вещество выкипело бы гораздо скорее воды. Подсчитаем же, через сколько выстрелов после начала кипения вся вода выкипит из кожуха пулемета:
4x539 = 2156 бол. калорий; 2156:2=1078 бол. калорий, т. е. после 1078 выстрелов (каждый дает 2 бол. калории) закипевшая вода вся превратится в пар. Если бы пулемет стрелял беспрерывно (одной бесконечной лентой патронов), то 1078 выстрелов он сделал бы в 107,8 секунд, т. е. в 1 минуту и 47,8 секунд, а от начала стрельбы, когда вода имела ?=0°, все это займет время в 2 минуты и 7,8 секунд. В действительности этого нет и можно считать, что после одной ленты вода закипит, а после 5 — 6 лент, выпущенных подряд, вся вода выкипела бы. Чтобы не рисковать таким положением, устав требует доливать воду в кожух пулемета после каждых четырех подряд выпущенных лент, т. е. примерно через 4 минуты после начала стрельбы. Как видим, пулемет всегда нуждается в запасе воды, иначе он будет вынужден делать большие перерывы в стрельбе, достаточные для значительного охлаждения воды.
Ну, а как же быть зимой в сильные морозы, когда вода замерзает? Очевидно придется пользоваться льдом или снегом. Каждый самостоятельно может решить все приведенные ниже задачи, считая, что теплоемкость льда и снега равна приблизительно 0,5, а скрытая теплота плавления льда и снега — 80.
Задачи: 13. В кожухе пулемета находится 2лга1льда при t= — 20°. Через сколько секунд весь лед превратится в воду при 0°?
14. Через сколько секунд после начала непрерывной стрельбы 2 кг льда при 0°, помещенные в кожух пулемета, превратились бы в пар, если не считаться с потерями тепла в окружающее пространство? *
* Сообразите, почему в кожухе нельзя поместить больше льда.
Тепловыми машинами называют, как известно, такие машины, в которых механическая энергия получается за счет теплоты. Паровые поршневые машины, паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания — все это и есть тепловые машины. Вспомним процесс превращения энергии в любой из таких машин: 1) происходит сгорание топлива (дрова, уголь, нефть, бензин), т. е. потенциальная (химическая) энергия вещества превращается в тепловую; 2) нагревается вода, превращаясь в пар и таким путем увеличиваясь в объеме, или нагреваются образовавшиеся при сгорании топлива газы, также сильно увеличиваясь в объеме, — здесь теплота превращается в кинетическую энергию газа или пара; 3) расширяющийся пар или газ толкает поршень, сообщая ему поступательное движение, в свою очередь преобразуемое обычно во вращательное движение основного вала двигателя — здесь кинетическая энергия пара или газа переходит в механическую энергию движения частей машины.
А как работает огнестрельное оружие? Что происходит в нем при выстреле? Те же этапы преобразования потенциальной (химической) энергии вещества (пороха) в тепловую (сгорание пороха), также образуются при этом стремящиеся занять большой объем газы, расширяющиеся еще нагреванием их при горении, и также кинетическая энергия этих газов переходит в энергию движения снаряда, играющего роль поршня тепловой машины.
Отсюда ясно, что огнестрельное оружие есть один из видов тепловых машин, отличающихся лишь деталями устройства, а не принципом действия.
Особенно большое сходство имеет огнестрельное оружие с двигателем внутреннего сгорания, где топливо не просто сгорает под котлом с водой, а взрывается внутри цилиндра двигателя подобно взрывающемуся пороху внутри ствола винтовки, пулемета или орудия.
Однако есть и отличие оружия от других видов тепловых машин. Первое отличие заключается в скорости, с которой протекают все описанные процессы превращения энергии. Любой вид топлива сгорает значительно медленнее пороха. Выстрел из орудия занимает обычно лишь сотые и даже тысячные доли секунды. И за этот кратчайший промежуток времени порох сгорает, газы расширяются, и снаряд или пуля выбрасываются из ствола оружия. Второе отличие, в прерывности действия оружия. Во всех тепловых машинах поршень после толчка в одну сторону быстро
возвращается самой машиной в первоначальное положение, и весь процесс повторяется непрерывно. В оружии же новый заряд и снаряд (поршень) чаше всего вкладываются вручную, и даже в автоматах (пулеметы, ружья-автоматы, автоматическая пушка) беспрерывная стрельба невозможна, так как нужна смена ленты, обоймы или отдых орудия во избежание перегрева его частей.
Благодаря этим отличиям несколько затрудняется сравнение действия тепловых машин и огнестрельного оружия, но все же такое сравнение вполне возможно и уместно.
Наиболее интересными показателями всякой машины являются: коэфициент полезного действия и мощность. Вот эти-то показатели мы и попробуем вычислить для некоторых образцов оружия, придерживаясь везде строго физического понимания сути самих показателей. Оговорить это необходимо потому, что в военных науках нередко определяют и коэфициент полезного действия и мощность орудия совсем иначе, чем для тепловых машин. И это вполне естественно, так как работа орудия характеризуется не только одним лишь выстрелом, но и тем действием, какое производит снаряд (меткость стрельбы, мощность действия снаряда и т. п.). С другой стороны мощность орудия настолько тесно связана обычно с их подвижностью (способностью передвигаться, зависящей от веса орудия), что иногда в показатель мощности орудия вводят данные веса его. Однако вовсе небесполезно знать показатели для огнестрельного оружия в обычном физическом их смысле. Как увидим дальше, из этого вытекают весьма существенные выводы.
Итак займемся определением коэфициента полезного действия винтовки, а затем и пушки.
Вспомним, что коэфициентом полезного действия машины называют частное от деления полезной работы машины на полную ее работу. Полезной работой винтовки является сообщение ею энергии пуле, а полной работой — расход энергии пороха. Вот эти-то две величины и надо вычислить.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
